Ein Forschungsteam aus Physikern hat herausgefunden, dass sich Schwerkraft in Licht umwandeln kann, aber nur, wenn
Was ist das Standardmodell und wie funktioniert es?
Das Standardmodell ist eine moderne TheorieStruktur und Wechselwirkungen von Elementarteilchen, mehrfach experimentell überprüft. Die Theorie selbst basiert auf einer sehr kleinen Anzahl von Postulaten und ermöglicht es, die Eigenschaften Tausender verschiedener Prozesse in der Welt der Elementarteilchen theoretisch vorherzusagen. Die moderne Formulierung wurde in den 2000er Jahren nach der experimentellen Bestätigung der Existenz von Quarks fertiggestellt. Sie wurde von drei Wissenschaftlern vorgeschlagen und enthält insbesondere Erklärungen für die Entstehung der Masse von Elementarteilchen im Rahmen des vorgeschlagenen Mechanismus der spontanen Symmetriebrechung von den Higgs.
Merkmal des Modells, das "die Spielregeln ändert"
Eines seiner Merkmale ist dases verbietet normalerweise die Umwandlung masseloser Teilchen in massive. Während sich Teilchen im Standardmodell durch verschiedene Reaktionen und Prozesse ständig ineinander umwandeln, bleibt das Photon – der masselose Träger des Lichts – „es selbst“. Aber wenn die Bedingungen stimmen, ist es möglich (z. B. wenn es mit einem schweren Atom interagiert), dass es sich spontan spaltet und in ein Elektron und ein Positron verwandelt, die massive Teilchen sind.
Gravitations- und Schwarzes-Loch-Konzept. Foto: de.freepik.com
Diese Idee inspirierte die Autoren der neuen Studie. Sie wollten verstehen, ob sich die Schwerkraft selbst in andere Teilchen verwandeln kann.
Ideenvalidierung
Ja, normalerweise wird die Schwerkraft berücksichtigtim Kontext der Allgemeinen Relativitätstheorie, nach der die Biegungen und Krümmungen der Raumzeit die Bewegung von Teilchen beeinflussen. In diesem Fall ist es sehr schwer vorstellbar, wie daraus Partikel entstehen können. Der Trick besteht darin, dass die Schwerkraft durch Quantenoptik betrachtet werden kann. Stellen Sie es beispielsweise als eine von Gravitonen getragene Kraft dar. Obwohl das aktuelle Bild der Quantengravitation noch lange nicht vollständig ist, ist bekannt, dass sich diese unzähligen unsichtbaren Teilchen wie jedes andere Grundteilchen verhalten, einschließlich potenziell transformierender Teilchen.
Um diese Idee zu testen, untersuchten Physiker die Bedingungendas sehr frühe Universum – klein, heiß und dicht. Dort wurden alle Formen von Materie und Energie in unvorstellbare Größenordnungen vergrößert, weit mehr, als selbst unsere leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger erreichen können.
Wissenschaftler haben das in diesem Konzept herausgefundenEine wichtige Rolle spielen Gravitationswellen – Wellen im Gefüge der Raumzeit, die durch Kollisionen zwischen den massereichsten Objekten im Weltraum entstehen. Sie sind normalerweise sehr schwach und können ein Atom um eine Strecke bewegen, die kleiner ist als die Breite seines eigenen Kerns. (Zuvor schrieb Hi-Tech, dass die Schwerkraft die schwächste der vier Hauptkräfte ist). Aber im frühen Universum könnten die Wellen viel stärker sein, und dies könnte alle Prozesse und Materie ernsthaft beeinträchtigen.
Künstlerische Darstellung von Gravitationswellen. Bild mit freundlicher Genehmigung von R. Hurt/Caltech-JPL
„Diese frühen Wellen plätscherten hin und her,von Zeit zu Zeit zunimmt“, erklärt Paul Sutter, Forschungsprofessor für Astrophysik an der SUNY Stony Brook University und dem Flatiron Institute in New York, der nicht an der Studie beteiligt war. —Alles andere im Universum würde durch den Stoß und Zug der Wellen erfasst, was zu einem Resonanzeffekt führen würde. Gravitationswellen wirkten wie eine Pumpe und schleuderten Materie immer wieder in dichte Klumpen.“
Was können Gravitationswellen?
Auch Gravitationswellen können Einfluss nehmenzum elektromagnetischen Feld. Da es sich um Wellen in der Raumzeit selbst handelt, sind Wellen nicht auf Wechselwirkungen mit massiven Objekten beschränkt. Während sie weiter pumpen, erreicht die Strahlung im Universum extrem hohe Energien. Dies führt letztendlich zum spontanen Auftreten von Photonen: Die Schwerkraft selbst erzeugt Licht.
Zu welchem Ergebnis kamen die Wissenschaftler?
Die Forscher fanden heraus, dass dies insgesamt der Fall istDer Prozess ist ziemlich ineffizient. Das frühe Universum dehnte sich aus, sodass Standardmodelle für Gravitationswellen nicht lange existieren konnten. Physiker sagen jedoch, dass die Wellen lange genug verweilt hätten, um Ströme zusätzlicher Photonen zu erzeugen, wenn das frühe Universum genügend Materie enthalten hätte, um die Lichtgeschwindigkeit zu verlangsamen (so wie sich Licht in Luft oder Wasser langsamer ausbreitet).
Warum ist die neue Studie so wichtig?
Die Physiker haben es noch nicht vollständig verstandendie komplexe, komplizierte Physik der kosmischen Morgendämmerung. Wenn die Theorie der Wissenschaftler jedoch zutrifft, wird das durch die Schwerkraft erzeugte Licht vermutlich die Entstehung von Materie und die Entwicklung des Universums beeinflussen. Deshalb wird die Untersuchung aller Konsequenzen dieses erstaunlichen Prozesses zu einer Revolution in unserem Verständnis der frühesten Momente unserer Welt führen.
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Autor: ESO/L. Kalkada